三跨變截面預應力混凝土連續梁橋的收縮徐變效應

三跨變截面預應力混凝土連續梁橋的收縮徐變效應

衛建軍

(西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054)

摘要：混凝土的收縮徐變效應是影響預應力混凝土連續梁橋受力的重要因素。混凝土收縮徐變效應研究是進行混凝土橋梁設計的前提。通過對影響混凝土收縮徐變效應的主要因素分析，揭示混凝土收縮徐變對橋梁變形和內力的影響規律。以某三跨變截面預應力混凝土連續箱梁橋為工程依托，采用有限元仿真分析方法，將連續箱梁所處環境的相對濕度、混凝土加載齡期以及運營時間對混凝土收縮徐變效應的影響進行參數分析。研究認為：混凝土收縮和徐變所引起的連續梁的豎向位移及截面彎矩均隨環境相對濕度的增大而減小；隨著加載齡期的延長，混凝土收縮作用引起的連續梁豎向位移與截面彎矩總體呈增長趨勢，而混凝土徐變作用引起的連續梁豎向位移與截面彎矩變化較小；運營時間對混凝土收縮作用引起的梁體豎向位移影響顯著，而對截面彎矩無影響，運營時間對混凝土徐變作用引起的梁體豎向位移與截面彎矩均影響較大。文中研究結果對同類工程設計提供一定的參考價值。

關鍵詞：預應力混凝土連續箱梁；混凝土收縮徐變；有限元分析

DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0210

文章編號：1672-9315(2015)02-0192-05

收稿日期：*2015-01-20責任編輯：李克永

基金項目：國家自然科學基金青年基金(51204113)；國家自然科學基金(51474173)

中圖分類號：U 448.27文獻標志碼： A

Shrinkageandcreepeffectofthree-spancontinuousvariablecross-sectionprestressedconcretebridge

WEIJian-jun

(College of Civil and Architectural Engineering,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China)

Abstract：The shrinkage and creep effect of concrete is an important factor impacting the mechanical of prestressed concrete continuous beam bridges.Research on effects of shrinkage and creep of concrete is a prerequisite for concrete bridge design.Influential law of the deformation and internal force of bridge caused by shrinkage and creep of concrete can be revealed through the analysis on the main factors affecting the effects of shrinkage and creep of concrete.Finite element analysis on the main factors that influences the shrinkage and creep effect of concrete is studied by taking a three-span variable cross-section prestressed concrete continuous box girder bridge as the research object，and the main factors include environmental relative humidity，loading age of concrete, operation time etc.The results show that with the increasing environmental relative humidity.Both the vertical displacement and bending moment caused by shrinkage and creep are both decreased gradually.The vertical displacement and bending moment caused by shrinkage are increased with the loading time.Bridge operation time has significant influences on the vertical displacement of the bridge caused by concrete creep，while it has little influences on the bending moment.Both the vertical displacement and bending moment caused by concrete creep are influenced greatly by bridge operation time.The results can provide a certain reference value for the design of similar project.

Key words：prestressed concrete continuous box girder bridge；shrinkage and creep of concrete；finite element analysis

0引言

預應力混凝土連續梁橋以其受力性能好、跨越能力大、設計和施工技術成熟、養護簡單以及造價經濟等優勢得到了廣泛應用[1-3]。但許多橋梁在建成后幾年內，其跨中下撓量就超過了施工預拱度：湖北黃石長江大橋通車運營3年后，跨中開始出現持續下撓，運營7年后，主梁跨中最大下撓量與成橋時相比已達到30.5 cm[4]；虎門大橋輔航道橋建成通車7年后，跨中最大下撓量與成橋時相比已達到22.2 cm[5]。另外，英國、美國和挪威等國家預應力混凝土橋梁跨中下撓過大問題也成為制約其橋梁發展的主要問題之一[6-8]。

王鐵夢、丁文勝、胡狄、汪劍以及李世偉等針對混凝土梁的下撓或裂縫問題進行了試驗或理論分析，認為預應力混凝土連續箱梁在其運營過程中梁體開裂及下撓過大的現象較為普遍，橋梁理論計算下撓遠小于實測值；隨著運營時間的增加，橋梁下撓速度持續增長，且持續多年；大跨度預應力混凝土橋梁下撓狀況也較為常見。其研究結果表明：造成預應力混凝土橋梁下撓的原因除了施工技術水平、預應力損失過大等因素之外，對混凝土收縮徐變作用及其效應認識的不足也是這一現象產生的主要因素[3，9-11]。目前，關于橋梁混凝土的收縮徐變效應國內外學者進行了廣泛研究，得出了大量的混凝土收縮徐變模式及其計算方法，但在研究過程中需考慮橋梁所處的自然環境，其得出的橋梁混凝土收縮徐變模式具有局限性。因此，對于橋梁收縮徐變的研究有必要結合實際工程，對其在當地實際環境下結構的受力進行分析，以明確該橋梁的受力性能在當地環境下受混凝土收縮徐變的影響規律。

以某三跨變截面預應力混凝土連續箱梁橋為工程依托，對影響混凝土收縮徐變效應的主要因素包括環境相對濕度、混凝土加載齡期以及橋梁運營時間等進行有限元分析，得出收縮徐變作用對大跨徑預應力混凝土連續箱梁受力性能的影響規律。

1有限元分析模型

1.1依托工程概況

文中工程依托跨徑布置為55+100+55 m.橋梁梁高變化段梁底曲線采用1.8次拋物線，跨中、邊支點處梁高2.85 m，中支點處梁高6.25 m，橋梁總體布置如圖1所示。橋梁上部結構采用C55混凝土，布置公稱直徑為15.2 mm的縱向預應力束，抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa，張拉控制應力為0.75fpk=1 395 MPa.

圖1　連續箱梁總體布置 Fig.1　General arrangement of continuous box girder bridge 注：圖中標注除高程外均以厘米計 (a)立面布置　(b)斷面布置

1.2有限元模型

文中采用有限元軟件Midas對上述三跨預應力混凝土連續箱梁進行梁單元數值模擬。連續箱梁有限元模型共包含65個梁單元、82個節點，有限元模型如圖2所示。其中，10#、12#及13#墩頂上游均使用雙向活動支座，釋放其順橋向和橫橋向平動位移自由度以及橫橋向轉角位移自由度，下游使用單向活動支座，釋放其順橋向平動位移自由度以及橫橋向轉角位移自由度；11#墩頂上游釋放其橫橋向平動位移自由度和轉角位移自由度，下游僅釋放其橫橋向轉角位移自由度。

圖2　連續箱梁有限元模型 Fig.2　Finite element model of continuous box girder bridge

2連續箱梁收縮徐變效應的主要影響因素分析

2.1相對濕度對連續梁混凝土收縮徐變效應的影響

圖3和圖4給出了環境相對濕度對連續箱梁收縮效應的影響，由于結構及荷載對稱，文中只給出橋梁左半部分結果。由圖3和圖4可以看出，隨著環境相對濕度的增大，混凝土的收縮效應減弱，混凝土收縮引起的連續梁豎向位移及截面彎矩均逐漸減小，并且中跨跨中位置的豎向位移變化量最大，支座部位墩頂截面的彎矩變化量最大：當環境相對濕度由40%增大至80%的過程中，橋梁豎向位移與截面彎矩的最大減小量均為47.9%.

當環境相對濕度由40%增大至80%的過程中，混凝土的徐變效應減弱，由混凝土徐變作用引起的連續梁豎向位移與截面彎矩均逐漸減小，并且對距離梁端80～90 m區域截面的豎向位移影響較大，最大減小量為62.7%；而中跨位置截面彎矩隨環境相對濕度的變化較大，最大減小量為10.9%.

圖3　相對濕度對混凝土收縮效應的影響 Fig.3　Influence of relative humidity on concrete shrinkage effect (a)混凝土收縮作用對橋梁豎向位移的影響 (b)混凝土收縮作用對橋梁內力的影響

圖4　相對濕度對混凝土徐變效應的影響 Fig.4　Influence of relative humidity on concrete creep effect (a)混凝土徐變作用對橋梁豎向位移的影響 (b)混凝土徐變作用對橋梁內力的影響

2.2混凝土加載齡期對連續梁混凝土收縮徐變效應的影響

圖5和圖6給出了混凝土加載齡期對連續箱梁收縮徐變效應的影響。該橋采用掛籃施工工藝，從混凝土澆筑至預應力張拉一般需經歷4～14 d時間，因此，文中選取此時間范圍進行混凝土加載齡期對橋梁的受力性能的影響分析。從圖5和圖6可以看出，當加載齡期由4 d增加至14 d的過程中，混凝土的收縮效應較為顯著，而徐變效應不明顯。并且混凝土收縮作用引起的連續梁豎向位移與截面彎矩總體呈增長趨勢，其最大增加量分別為21.1%以及20.7%；而混凝土徐變作用引起的連續梁豎向位移與截面彎矩變化較小，其最大減小量分別為0.37%以及0.15%.

圖5　混凝土加載齡期對混凝土收縮效應的影響 Fig.5　Influence of concrete loading age on concrete shrinkage effect (a)混凝土收縮作用對橋梁豎向位移的影響 (b)混凝土收縮作用對橋梁內力的影響

圖6　混凝土加載齡期對混凝土徐變效應的影響 Fig.6　Influence of concrete loading age on concrete creep effect (a)混凝土徐變作用對橋梁豎向位移的影響 (b)混凝土徐變作用對橋梁內力的影響

圖7　橋梁運營時間對混凝土收縮效應的影響 Fig.7　Influence of operation time on concrete shrinkage effect (a)混凝土收縮作用對橋梁豎向位移的影響 (b)混凝土收縮作用對橋梁內力的影響

圖8　橋梁運營時間對混凝土徐變效應的影響 Fig.8　Influence of operation time on concrete creep effect (a)混凝土徐變作用對橋梁豎向位移的影響 (b)混凝土徐變作用對橋梁內力的影響

2.3運營時間對連續梁混凝土收縮徐變效應的影響

圖7和圖8給出了橋梁運營時間對連續箱梁收縮徐變效應的影響。從圖7和圖8可以看出，當橋梁運營時間由300 d增至3 000 d的過程中，混凝土收縮效應不明顯，而混凝土的徐變效應顯著。其中，混凝土收縮作用引起的連續梁豎向位移逐漸增大，其最大增加量達218%；而截面彎矩基本不變。混凝土徐變作用引起的連續梁豎向位移與截面彎矩隨運營時間的增加而逐漸增大，并且截面豎向位移在距離主梁梁端約80～90 m附近其變化量較大，截面內力在跨中截面變化量較大，其最大增加幅值分別為2.245 mm，381.0 kN·m.

3結論

1)隨著環境相對濕度的增大，混凝土收縮引起的連續梁豎向位移及截面彎矩逐漸減小，并且當環境相對濕度由40%增大至80%的過程中，橋梁豎向位移與截面彎矩的最大減小量均為47.9%；混凝土徐變作用引起的連續梁豎向位移與截面彎矩均逐漸減小，橋梁豎向位移與截面彎矩的最大減小量分別為62.7%，10.9%；

2)當加載齡期由4 d增加至14 d的過程中，混凝土收縮作用引起的連續梁豎向位移與截面彎矩總體呈增長趨勢，其最大增加量分別為21.1%以及20.7%；而混凝土徐變作用引起的連續梁豎向位移與截面彎矩變化較小，其最大減小量分別為0.37%以及0.15%；

3)當橋梁運營時間由300 d增至3 000 d的過程中，混凝土的收縮作用引起的連續梁豎向位移逐漸增大，其最大增加量達218%；而截面彎矩基本不變；混凝土徐變作用引起的連續梁豎向位移與截面彎矩隨運營時間的增加而逐漸增大。

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